Aufbau und Funktion von TFTDisplays Sebastian Wezel Inhalt

Aufbau und Funktion von TFT-Displays © Sebastian Wezel

Inhalt ● ● Aufbau des Backlights – Backlight-Inverter – Diffuser und Folien Aufbau des TFT-LCD – Polarisationsfilter – Die LCs – Technologien – TFT – Bildaufbau

Backlight ● 1 -2 Leuchtstoffröhren bei Displays bis ca 19” ● Backlight-Inverter ● Diffuser ● 3 Folien zur Lichtverteilung

Backlight-Inverter ● ● Transformiert Spannung von 3 – 28 VDC auf 900 – 1500 VAC Startspannung und 300 – 700 VAC Lampenspannung (Effektivwert) Dimmung duch PWM (pulse width modulation) also Änderung des Mittelwertes.

Diffuser und Folien ● Diffuser: Verteilt das Licht der Leuchtstoffröhre ● Folien: – “Milchglaß”-Folie, zur gleichmäßigen Verteilung des Lichts – Folie zur horizontalen Lichtbrechung – Folie zur vertikalen Lichtbrechung – Schutzfolie zwischen Display und Backlight

Inhalt ● ● Aufbau des Backlights – Backlight-Inverter – Diffuser und Folien Aufbau des TFT-LCD – Polarisationsfilter – Die LCs – Technologien – TFT – Bildaufbau

LCD - Liquid Cristal Display Weg des Lichts : 1. Polarisationsfilter 2. TFT Glass 3. LCs 4. Farbfilter 5. 2. Polarisationsfilter (90° gedreht)

Die Polarisationsfilter ● ● Der 1. Filter lässt das Licht des Backlights nur in einer Richtung durch. Der 2. Filter ist 90° zum 1. Filter verdreht Je nach Ansteuerungsart kann das Licht, welches durch die LCs gedreht wird, im Ruhezustand den 2. Filter passieren (Normally-White-Mode) bzw. nicht passieren (Normally-Black -Mode) Diese Technik wird TN (Twisted Nematic) genannt.

Die LCs ● ● Sind in mehreren Ebenen angeordnet, um das Licht Stück für Stück soweit zu drehen, damit es den 2. Polarisationsfilter passiern kann. Die Techniken 1. TN = Twisted Nematic (90° Verdrehung) 2. STN = Super-Twisted-Nematic (180° - 270° Verdrehung) 3. DSTN = Double-Super-Twisted-Nematic (2 STN Schichten mit je 240° Drehung) 4. TSTN = Triple-Super-Twisted-Nematic

Super-Twisted-Nematic ● Der Verdrillwinkel ist auf 180° - 270° erhöht ● Vorteile: – ● Erhöhung des Kontrasts 7: 1 anstelle von 3: 1 bei TN Nachteile: – Auftreten von Farbverschiebungen ● Weiß wird rötlich bis orange ● Schwarz nimmt eine Blau- bis Cyanfärbung an.

Double-Super-Twisted-Nematic ● 2 STN Schichten mit jeweil 240° Verdrillung ● Aktive Zelle ● – Drehung gegen den Uhrzeigersinn – Durch Anlegung von Spannung beeinflussbar Passive Zelle – ● ● Drehung im Uhrzeigersinn Beide Zellen sind so zueinander gedreht, so dass die Orientierung der Stäbchen an der Eingangsseite senkrecht zu der an der Ausgangsseite ist. Die Polarisationsfolien sind zueinander 90° gedreht.

Arbeitsweise DSTN (Handout) In der konventionellen TN- oder STN-Zelle erhält man nach dem Durchgang linear polarisierten Lichtes genau betrachtet nicht einfach linear polarisiertes Licht mit verdrehter Schwingungsebene, sondern elliptisch (oder zirkular) polarisiertes Licht. Die Spitze des elektrischen Feldvektors beschreibt eine Ellipse oder einen Kreis. Solches Licht geht durch den Polarisator hindurch, wobei die durch den Dichroismus bewirkte Farbaufspaltung - abhängig von der Polarisation und der Folienorientierung am Strahlaustritt - zu farbigem Licht führt. Weißes Licht fällt auf den hinteren Polarisator; (im Bild unten) und wird dort linear polarisiert. Dann gelangt es in die aktive STN-Zelle, die - ohne Feld - nun zirkular polarisiertes Licht daraus erzeugt. Dieses Licht ist - wie bei der herkömmlichen STN-Zelle - durch Dichroismus verändert. Der Weg durch die anschließende passive Zelle führt zur Kompensation der Farbaufspaltung (Die Phasendifferenz wird gleich Null). Als Ergebnis liegt linear polarisiertes Licht vor, das die gleiche Schwingungsebene aufweist wie zuvor nach dem Passieren der hinteren Polarisationsfolie. Weil aber der vordere Polarisator um 90 Grad verdreht ist, lässt er kein Licht durch: Der Bildschirm ist an dieser Stelle schwarz. Liegt an der aktiven Zelle ein elektrisches Feld an, dann geht das linear polarisierte Licht aus dem hinteren Polarisator dort glatt hindurch, ohne verändert zu werden. Erst in der passiven Zelle erfolgt nun zirkulare Polarisation. Weil aber zirkular polarisiertes Licht von Polarisatoren nicht zurückgehalten wird, ist der Bildschirm an dieser Stelle hell. Durch genaues Justieren sowohl des verwendeten Materials auch der Zellenabmessungen wird das durchgelassene Licht weiß.

Arbeitsweise DSTN (Vortrag) ● ● ● ● In der konventionellen TN- oder STN-Zelle erhält man nach dem Durchgang linear polarisierten Lichtes genau betrachtet nicht einfach linear polarisiertes Licht mit verdrehter Schwingungsebene, sondern elliptisch (oder zirkular) polarisiertes Licht. Die Spitze des elektrischen Feldvektors beschreibt eine Ellipse oder einen Kreis. Solches Licht geht durch den Polarisator hindurch, wobei die durch den Dichroismus bewirkte Farbaufspaltung - abhängig von der Polarisation und der Folienorientierung am Strahlaustritt - zu farbigem Licht führt. Weißes Licht fällt auf den hinteren Polarisator und wird dort linear polarisiert. Dann gelangt es in die aktive STN-Zelle, die - ohne Feld - nun zirkular polarisiertes Licht daraus erzeugt. Dieses Licht ist durch Dichroismus (Farbverfälschung) verändert. Der Weg durch die anschließende passive Zelle führt zur Kompensation der Farbaufspaltung (Die Phasendifferenz wird gleich Null). Als Ergebnis liegt linear polarisiertes Licht vor, das die gleiche Schwingungsebene aufweist wie nach dem Passieren der hinteren Polarisationsfolie. Durch die Verdrehung des vorderen Polarisators um 90 Grad lässt er kein Licht durch: Der Bildschirm ist an dieser Stelle schwarz. Liegt an der aktiven Zelle ein elektrisches Feld an, geht das linear polarisierte Licht aus dem hinteren Polarisator dort glatt hindurch, ohne verändert zu werden. Erst in der passiven Zelle erfolgt nun zirkulare Polarisation.

Triple Super Twisted Nematic ● Das Licht der Beleuchtung (6) ● wird polarisiert (2) ● gefiltert (3) ● durchquert die hintere Glasscheibe (4) ● den STN-Flüssigkristall (5) ● die vordere Glasscheibe (4) ● die vordere Filterfolie (3) ● den vorderen Polarisator (2) ● und tritt schließlich farbig aus (1).

Arbeitsweise TSTN ● Hier findet sich nur eine STN-LC-Zelle. Die Farbstörungen der normalen STN-Technik werden durch zwei spezielle Folien ausgeglichen ● ● Die vor und hinter der Zelle - zwischen Polarisator und Glas - angebracht sind. Diese Folien sind verantwortlich für einen weiteren Namen dieser Technik: FST, was bedeutet "Film-Supertwisted". ● Der erheblich verbesserte Kontrast (bis zu 18: 1), das geringere Gewicht, die flachere und weniger aufwendige Bauweise haben TSTN-LC-Displays zum Durchbruch verholfen. In Notebook-Computern wurden solche Display als VGA-Bildschirm erstmals realisiert ●

Zukunft ● Ferroelektrische Flüssigkristalle ● Speichern elektrische Felder ● Bilder lassen sich über Wochen, Monate oder Jahre speicher. ● Erst ein Löschimpuls lässt es dann verschwinden. ● Kaum – kein “refresh cycle” notwendig. (Einfacher Steuerelektronik) ● Zu erwartender stark verbesserter Kontrast.

TFT – Thin Film Transistor ● ● ● An jedem Pixel ist ein TFT. Durch Anlegen einer Spannung wird der TFT leitend Dadurch entsteht an dem LC ein elektrisches Feld, wodurch die Kristalle ausgerichtet werden Je höher die Spannung, desto stärker werden die Kristalle ausgerichtet Desto mehr Licht kann den 2. Polarisatiosfilter passieren.

Eine kleine Rechnung ● Aufösung von 1600 x 1200 ● 3 Subpixel pro Pixel ● bezogen auf ein 21 Zoll Display ● Transistor nur 1/10 des Subpixels. ● Die TFT's werden durch Foto. Lithographische Verfahren, aufgebracht.

Bildaufbau ● ● ● Jeder Pixel in farbigen Display besteht aus 3 Subpixeln rot, grün und blau Durch die additive Farbmischung entsteht, wenn alle Farben an sind, weiß. CRT: Der Katodenstrahl wandert von links nach rechts und bringt dabei den Phosphor zum Leutchten (bei Farbe sind 3 Kathoden im Einsatz) TFT-LCD: Es wird eine gesammte Zeile aktiviert, in dieser werden dann alle Spalten gleichzeitig geschrieben. Durch den Speichereffekt des TFTs bleibt der Wert erhalten und somit das Bild. Dadurch entsteh kein Flimmereffekt.

Vor- und Nachteile ● Vorteile: – geringerer Stromverbrauch¹ – Strahlungsfreiheit ² – absolut flimmerfreies Bild – verzerrungsfreies Bild – scharfes Bild – geringes Gewicht – geringe Einbautiefe 1) bezogen auf Normalbilder 2) keine Röntgenstrahlen, dafür elektrische Felder ● Nachteile: – geringer Betrachtungswinkel ● IPS (In-Plane Switching) verschafft hier Abhilfe – Festgelegte Bildauflösung – kein echtes schwarz – Farben wirken nicht gesättigt – teure Herstellung – Verwischeffekt bei schnellen Bewegungen

Quellen ● Wikipedia. org (Flüssigkristallbildschirm) ● http: //www. hpfsc. de/default. php? url=. /tft/index. html ● Diplomarbeit Ingmar Pätzold (Firma Conrac) ● http: //www. iap. uni-bonn. de/P 2 K/laptops/index. html